CN1321205C - 冷轧超薄叠层合金化制备NiAl形状记忆合金薄膜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冷轧超薄叠层合金化制备NiAl形状记忆合金薄膜的方法。采用塑性好，变形容易的Al箔、Ni箔为原材料，按原子组成式Ni1-xAlx确定箔的厚度，将金属箔交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再冷轧，如此反复，最后进行扩散退火合金化，获得成分均匀的NiAl形状记忆合金薄膜。组成比满足：0.355≤x≤0.37。用该方法制备的NiAl形状记忆合金薄膜具有成分容易控制，晶粒细小，疲劳寿命高，面积大和成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及形状记忆合金领域，具体涉及一种冷轧超薄叠层合金化制备NiAl形状记忆合金薄膜的方法。用该方法制备的薄膜具有生产工艺简单，成分容易控制，力学性能好的优点。
背景技术
现今应用的大多数形状记忆合金受其热弹性马氏体相变温度的影响，工作温度大都低于100℃，但在核动力、航空航天、汽车、电机、化工、油气勘探等工程领域，却对具有更高相变温度的高温形状记忆合金有特别的兴趣和需求。所以，高温形状记忆合金的研制和开发颇具工程应用前景，必将有助于下世纪工程技术领域自动化及自适应能力的升级。
目前高温形状记忆合金主要有：CuAlNi系、NiTi系、NiAl系。CuAlNi系合金使用温度也只在150℃～200℃左右，限制了其在更高温度范围的使用，而且目前还存在冷加工困难，晶粒粗大，疲劳寿命低的缺点。在NiTi合金的基础上，添加Pd、Pt、Au、Zr和Hf等合金元素虽然能将相变温度提高到500℃以上，但造价极为昂贵，限制了它的使用范围。
Ni含量在60～70at％的NiAl合金的Ms点随Ni的含量不同可在-150～900℃之间变化。由于合金含有大量的Al，呈现良好的高温抗氧化性能及导热性能。此外，NiAl作为高温形状记忆合金还具有熔点高(比Ni基高温合金约高250℃)、密度低(约是Ni基高温合金的2/3)、导热性好(为Ni基高温合金的4-8倍)的优点，被认为是发展潜力最大的高温形状记忆合金之一。
NiAl相对其他高温形状记忆合金具有明显的优势，本应很广泛的应用。但由于NiAl是金属间化合物，与大多数金属间化合物一样，室温几乎不能塑性变形，这严重阻碍了它的实际应用。为了改善其室温脆性，前人采用了多种方法，如合金化、细化晶粒等。用合金化法，比如加入Fe、Mn等元素，形成了具有很好塑性的γ相，但是γ相的形成致使马氏体相变温度Ms点大大降低，同时使形状记忆效应减弱；同时第二相的形成，减少合金中Al的含量，将降低合金的抗氧化性能，削弱NiAl作为高温形状记忆合金的优势，没有显著解决NiAl合金室温脆性这一关键问题，通过冷轧的方法根本不能制备NiAl合金薄膜。而薄膜驱动元件将是形状记忆合金应用的一个主要领域。
这是因为形状记忆合金的驱动受热激励，因此块体形状记忆合金的响应频率低，仅1HZ，比压电材料、磁致伸缩材料等其他驱动材料要低几个数量级。为了提高形状记忆合金的响应频率，必须采用比表面积大，散热能力强的薄膜。为了制备CuAlNi基合金薄膜，人们采用了快速凝固的方法。这种方法虽然能获得厚度小于100μm的NiAl合金薄膜的，但薄膜受到宽度的限制，不适合工业生产。
最近发展的冷轧超薄叠层合金化制备合金薄膜的方法，使得我们能采用现有的常规轧制设备，低成本大面积制备NiAl形状记忆合金薄膜。此种方法采用塑性好，变形容易的纯金属或合金箔为原材料，按设计的成分配比确定箔的厚度，将金属箔交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧，如此反复，最后进行扩散退火合金化，获得成分均匀的合金薄膜。其生产工艺流程见附图所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用常规的轧制设备，通过冷轧超薄叠层合金化的方法，制备大面积、低成本NiAl形状记忆合金薄膜。
NiAl形状记忆合金薄膜的原子组成式为Ni1-xAlx，其组成比满足0.355≤x≤0.37。
冷轧超薄叠层合金化制备大面积NiAl形状记忆合金薄膜的方法：根据设计的原子组成比率，以镍箔，铝箔为原材料，交互重叠放置，大变形冷轧后获得超薄叠层的三明治结构，根据需要，可以将冷轧后的超薄叠层对折后再次冷轧，如此反复。最后在673K～923K的温度范围内保温进行扩散退火，获得成分均匀的合金薄膜。为了使薄膜具有形状记忆效应，合金化后的薄膜还需进行1373K以上的固溶加淬火的β化处理。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)首次采用冷轧合金化法制备了NiAl形状记忆合金薄膜，解决了NiAl合金在室温因脆性难以制备和加工的问题。其制备的薄膜具有较好的形状记忆效应和塑性，可以满足作为驱动材料的要求。
2)能制备大面积的NiAl形状记忆合金薄膜。采用熔体快淬和溅射法只能制备小面积的薄膜，而采用冷轧超薄叠层合金化的方法，能制取宽度大于50mm、长几米到几十米的薄膜，适合大规模工业生产。
3)制备的NiAl形状记忆合金薄膜塑性较好，疲劳寿命高。采用冷轧超薄叠层合金化制备的NiAl合金薄膜晶粒细小，仅几个μm，比目前合金的晶粒低一个数量级，因此具有较好的塑性和较高的疲劳寿命。
4)所制备的薄膜具有低成本高性能的特点。由于组元具有良好的冷变形能力，因此利用现有的冷轧设备就可生产，不需要昂贵的特殊设备，所以成本较低。具有很强的市场竞争力。
附图说明
本发明冷轧超薄叠层合金化制备NiAl形状记忆合金薄膜的加工路线示意图。
具体实施方式
本发明制备的NiAl形状记忆合金薄膜的原子组成式为Ni1-xAlx，其组成比满足0.355≤x≤0.37。
研究表明当二元NiAl合金的Ms点高于530K以上时，马氏体向Ni5Al3相的转变将先于马氏体的逆转变，因此要使二元NiAl合金具有形状记忆效应，合金的Ms点必须低于530K。但如果Ms点过低，合金又将失去应用价值。因此0.355≤x≤0.37。
实施例1
根据设计的成分配方Ni0.63Al0.37，采用厚度为0.180mm的Ni箔，0.160mm的Al箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以65％的变形量冷轧到1.200mm，然后再冷轧到0.080mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.080mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于773K下保温50小时，进行合金化。合金化后的薄膜再加热到1373K，保温0.5小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为271K，243K弯曲3％加热后形状完全恢复。
实施例2
根据设计的成分配方Ni0.635Al0.365，采用厚度为0.140mm的Ni箔，0.122mm的Al箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以62％的变形量冷轧到1.000mm，然后再冷轧到0.080mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.080mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于873K下保温30小时，进行合金化。合金化后的薄膜再加热到1423K，保温0.3小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为342K，室温弯曲3％加热后形状完全恢复。
实施例3
根据设计的成分配方Ni0.64Al0.36，采用厚度为0.140mm的Ni箔，0.119mm的Al箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以69％的变形量冷轧到0.800mm，然后再冷轧到0.050mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.050mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行合金化。合金化后的薄膜再加热到1473K，保温0.25小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为419K，室温弯曲3％加热后形状完全恢复。
实施例4
根据设计的成分配方Ni0.645Al0.355，采用厚度为0.120mm的Ni箔，0.100mm的Al箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以64％的变形量冷轧到0.800mm，然后再冷轧到0.040mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.040mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行合金化。合金化后的薄膜再加热到1523K，保温0.25小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为492K，室温弯曲3％加热后形状完全恢复。
实施例5
根据设计的成分配方Ni0.645Al0.355，采用厚度为0.180mm的Ni箔，0.150mm的Al箔为原材料，交互重叠放置10层。首先以70％的变形量冷轧到1.000mm，然后再冷轧到0.060mm，将冷轧的薄膜对折重叠，再冷轧到0.060mm，如此反复10道次。最后将冷轧10道次的薄膜于923K下保温20小时，进行合金化。合金化后的薄膜再加热到1573K，保温0.2小时水淬，电阻法测定合金的Ms点为488K，室温弯曲3％加热后形状完全恢复。
Claims (5)
1、一种冷轧超薄叠层合金化制备的NiAl形状记忆合金薄膜，其特征在于原子组成式为Ni1-xAlx，组成比满足：0.355≤x≤0.37。
2、一种制各权利要求1所述NiAl形状记忆合金薄膜的方法，是以纯金属Al箔，金属Ni箔为原材料，按原子组成式Ni1-xAlx确定箔的厚度，将金属箔交互重叠放置，以大变形冷轧复合，根据需要，可以将冷轧复合的超薄叠层对折后再大变形冷轧，如此反复，获得所需要厚度的薄膜，最后将冷轧复合的超薄叠层薄膜，在673K～923K温度范围进行保温，扩散退火合金化，获得成分均匀的合金薄膜。为了使薄膜具有形状记忆效应，合金化后的薄膜还需进行1373K以上的固溶加淬火的β化处理。
3、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于冷轧复合时变形量为50％～99％。
4、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于扩散退火的温度为773K～923K，保温时间为20～50小时。
5、根据权利要求2所述的形状记忆合金薄膜的制备方法，其特征在于β化处理的温度为1373K～1573K，保温时间为0.2～0.5小时。
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